一種耐高溫尼龍基X射線屏蔽複合材料及其製備方法與流程
2023-05-26 15:03:36 7
本發明屬於輻射防護用材料技術領域，涉及一種耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料及其製備方法。
背景技術：
目前，應用最廣的防輻射材料是含有高原子序數鉛(如鉛、軟鉛、有機鉛玻璃)和鋇(如有機鋇玻璃)的材料。鉛及其化合物有毒，且製備、使用和遺棄時會產生嚴重的環境汙染，有機鋇玻璃具有表面硬度低、防輻射性能差等缺點。隨著各國逐步對鉛及含鉛材料生產和使用的限制以及人們對射線防護性能要求的提高，尋找一種環境友好且射線防護能力強的材料成為輻射防護領域一亟待解決的問題。
鎢是一種化學性質穩定的金屬，密度高達19.4g/cm3，是理想的防輻射材料；此外，鎢不產生二次電子輻射；但是，鎢金屬具有硬度高、熔點高、脆等性質限制了其應用。作為射線的屏蔽材料，聚合物基鎢複合材料的屏蔽性能非常重要，尤為重要的是聚合物/鎢複合材料採用常規的熔融擠出、模壓和注塑成型法，能夠非常容易地製備出金屬鎢難以成型的複雜零部件。
稀土元素的k層吸收邊(從鑭的38.9kev到鑥的63.3kev)，處於最佳診斷x射線吸收區，它們的化合物具有化學穩定性好、無毒、降解作用低、價格低廉的優點，是屏蔽診斷射線的理想材料。利用鑭系元素製得的稀土/聚合物複合材料，具有良好的屏蔽效果，在與鉛製品具有同樣的防護能力下密度更低。
基體樹脂半芳香族和芳香族耐高溫尼龍由於在主鏈中導入了芳香環，耐熱能力比脂肪族尼龍大大提高，吸水率下降，尺寸穩定性好，適用於高溫高壓的工作環境。
專利cn101074315a提供了一種高比重樹脂的生產方法，雖然用到了聚醯胺，但是，聚醯胺的細度是80目以上的粉末，並未使用耐高溫尼龍和有機稀土配合物。
技術實現要素：
針對現有技術的缺陷，本發明的目的是提供一種無毒、成型加工性優良、耐高溫、衝擊性能較好及x射線屏蔽效果良好的耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料。
本發明的另一個目的是提供一種所述耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料的製備方法。
為了達到上述目的，本發明採用如下的技術方案：
一種耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料，由以下重量份的組分製成：
所述耐高溫尼龍樹脂選自熔點為290～320℃的半芳香族尼龍或全芳香族尼龍中的至少一種；其中：所述半芳香族尼龍為聚對苯二甲醯癸二胺、聚鄰苯二甲醯壬二胺、聚對苯二甲醯己二胺-co-己二醯己二胺共聚物、聚對苯二甲醯壬二胺、聚對苯二甲醯十二碳二胺、聚鄰苯二甲醯癸二胺中的至少一種；所述全芳香族尼龍為聚鄰苯二甲醯胺或聚對苯二醯對苯二胺中的至少一種。
所述馬來酸酐接枝耐高溫尼龍中的耐高溫尼龍為半芳香族尼龍或全芳香族尼龍中的至少一種；其中：所述半芳香族尼龍為聚對苯二甲醯癸二胺、聚鄰苯二甲醯壬二胺、聚對苯二甲醯己二胺-co-己二醯己二胺共聚物、聚對苯二甲醯壬二胺、聚對苯二甲醯十二碳二胺、聚鄰苯二甲醯癸二胺中的至少一種物；所述全芳香族尼龍為聚鄰苯二甲醯胺或聚對苯二醯對苯二胺中的至少一種。
所述有機稀土配合物為鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥元素的甲基丙烯酸鹽中的至少一種。
所述抗氧劑為抗氧劑1098和抗氧劑1790的混合物。
所述鎢粉為經偶聯劑表面處理過的鎢粉，平均粒徑為0.4-40μm。
所述鎢纖維為經偶聯劑表面處理過的鎢纖維，直徑為10-50μm，長徑比為100-500。
所述經偶聯劑表面處理過的鎢粉，處理方法包括以下步驟：
乾燥的鎢粉與水解偶聯劑混合，加熱進行反應，反應完全後抽濾、洗滌、再抽濾、加熱乾燥，得到所述經偶聯劑表面處理過的鎢粉。
所述乾燥的鎢粉是在溫度為100-120℃的條件下，乾燥1-5h。
所述鎢粉與水解偶聯劑的質量比是(0.1-5):1。
所述加熱進行反應的溫度為50-70℃，同時保持ph值為3-5，反應的時間為1-5h。
所述加熱乾燥的溫度為100-120℃，時間為3-8h。
所述經偶聯劑表面處理過的鎢纖維，處理方法包括以下步驟：
乾燥的鎢纖維與水解偶聯劑混合，加熱乾燥得到所述經偶聯劑表面處理過的鎢纖維。
所述鎢纖維與水解偶聯劑的質量比是(0.1-5):1。
所述乾燥的鎢纖維是在溫度為100-120℃的條件下，乾燥1-5h。
所述乾燥的鎢纖維與水解偶聯劑混合的時間為1-10h。
所述加熱乾燥的溫度為100-120℃，時間為3-8h。
所述水解偶聯劑的製備方法包括以下步驟：矽烷偶聯劑溶解到乙醇和蒸餾水的溶液中，所述矽烷偶聯劑、乙醇、蒸餾水的比例範圍是(10-30):(10-30):(40-80)，加熱後加入草酸進行反應，加熱的溫度是50-70℃；草酸與矽烷偶聯劑的質量比是(0.33-3):1；反應的時間為1-3h，調節ph值為3-5，得到所述水解偶聯劑。
一種所述耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料的製備方法，包括以下步驟：
將經偶聯劑表面處理過的鎢粉500-700份、經偶聯劑表面處理過的鎢纖維60-100份、乾燥的耐高溫尼龍樹脂60-100份、乾燥的馬來酸酐接枝耐高溫尼龍15-25份、乾燥的有機稀土配合物240-400份和抗氧劑1-3份混合均勻，加熱升溫、施壓、保溫保壓、再次升溫、再次保溫保壓、降溫洩壓，得到所述耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料。
所述加熱升溫的溫度為260-300℃。
所述施壓的壓力為11-13mpa。
所述保溫保壓的時間為1-5h。
所述再次升溫的溫度為310-340℃。
所述再次保溫保壓的時間為1-5h。
所述降溫洩壓的溫度是降至100℃以下。
所述乾燥的耐高溫尼龍樹脂、乾燥的馬來酸酐接枝耐高溫尼龍和乾燥的有機稀土配合物是在溫度為100-120℃的條件下，乾燥4-8h。
由於採用上述技術方案，本發明具有以下優點和有益效果：
本發明製備的耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料，在加入鎢粉的同時，採用鎢纖維與耐高溫尼龍樹脂複合，從而使複合材料的機械性能得到了保障；所使用的有機稀土配合物與聚合物基體具有更好的相容性，從而保持了複合材料的機械性能；基體樹脂半芳香族和芳香族耐高溫尼龍由於在主鏈中導入了芳香環，耐熱能力比脂肪族尼龍大大提高，吸水率下降，尺寸穩定性好，適用於高溫高壓的工作環境。
本發明製備的耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料具有無毒、成型加工優良、耐高溫、衝擊性能較好及x射線屏蔽效果良好等特點；該材料在核設施、醫療器械、安檢設備等領域有著廣闊的應用前景。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步詳細的說明。
實施例1至7的耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料的製備方法，包括以下步驟：
水解偶聯劑的製備方法包括以下步驟：矽烷偶聯劑kh550溶解到乙醇和蒸餾水的溶液中，所述矽烷偶聯劑kh550、乙醇、蒸餾水的比例範圍是15:15:50，加熱後加入草酸進行反應，加熱的溫度是60℃；草酸與矽烷偶聯劑的質量比是1.5:1；反應的時間為2h，調節ph值為4，得到所述水解偶聯劑。。
經偶聯劑表面處理過的鎢粉的處理方法包括以下步驟：
乾燥的鎢粉與水解偶聯劑混合，乾燥的鎢粉是在溫度為110℃的條件下，乾燥3h，鎢粉與水解偶聯劑的比例是2.5:1，加熱進行反應，水浴溫度為60℃，同時用電動攪拌器以恆定的速度攪拌，同時保持ph值為4，反應的時間為3h；使矽烷偶聯劑充分包裹在鎢粉顆粒表面；對表面改性鎢粉反應液進行抽濾，並多次用蒸餾水洗滌、再抽濾，將抽濾後的鎢粉置於電熱恆溫鼓風乾燥箱中加熱乾燥，溫度為110℃，時間為6h，使水分完全揮發，得到所述經偶聯劑表面處理過的鎢粉。
經偶聯劑表面處理過的鎢纖維，處理方法包括以下步驟：
乾燥的鎢纖維與水解偶聯劑混合5h，使鎢纖維充分浸漬，乾燥的鎢纖維是在溫度為110℃的條件下，乾燥3h，乾燥的鎢纖維與水解偶聯劑的比例是2.5:1；，將浸漬過的鎢纖維置於電熱恆溫鼓風乾燥箱中，加熱乾燥使水分完全揮發，得到所述經偶聯劑表面處理過的鎢纖維，加熱乾燥的溫度為110℃，時間為6h。
將經偶聯劑表面處理過的鎢粉、經偶聯劑表面處理過的鎢纖維、乾燥的耐高溫尼龍樹脂、乾燥的馬來酸酐接枝耐高溫尼龍、乾燥的有機稀土配合物和抗氧劑混合均勻，然後加入到模具中，將模具置於平板硫化儀中，乾燥的耐高溫尼龍樹脂、乾燥的馬來酸酐接枝耐高溫尼龍和乾燥的有機稀土配合物是在溫度為110℃的條件下，乾燥6h；加熱模具升溫至280℃，施壓12mpa，保溫保壓1.5h，再次升溫至325℃，再次保溫保壓1.5h，降溫至100℃以下洩壓，得到所述耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料，脫模得到複合材料模壓件，將模壓件加工成測試所需樣品。
實施例1至4的各組分的配方如表1所示。
表1
實施例5至7和對比例的各組分的配方如表2所示。
表2
實施例1至7得到的耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料及對比例得到的材料的性能如表3所示。
表3
表3中懸臂梁衝擊強度按照astmd256進行測試；利用ct機測定x射線穿透試樣後的ct值和衰減率，通過ct值和衰減率，分析複合材料對x射線的屏蔽效果，ct值和衰減率越大，複合材料對x射線的屏蔽性能越好。
由表3的各項性能可以看出，實施例1的懸臂梁衝擊強度最高，ct值和衰減率最大，為最佳實施例，使用了耐高溫尼龍的實施例的熱變形溫度均高於使用普通聚醯胺尼龍對比例的熱變形溫度。由表3還可以看出，x射線穿透試樣後衰減率皆大於95％。表明本發明製備的耐高溫尼龍基x射線屏蔽複合材料具備了耐高溫、衝擊性能較好及x射線屏蔽效果良好等特點；該材料在核設施、醫療器械、安檢設備等領域有著廣闊的應用前景。
上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。